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第五章 紫外-可见吸收光谱法,(ultraviolet and visible spectrometry, uv-vis),李红亮,5-1 概述 利用紫外-可见分光光度计测量物质对紫外-可见光的吸收程度（吸光度）和紫外-可见吸收光谱来确定物质的组成、含量，推测物质结构的分析方法，称为紫外-可见吸收光谱法(uv-vis)。,3,基于物质分子对光的选择性吸收而建立的分析方法，称为分子吸光分析法，它包括比色法和分子吸收分光光度法。,一、分子吸光分析法,4,1.比色法 有色物质的不同颜色是由于吸收了不同波长的光所致。溶液能选择性地吸收某些波长的光，而让其他波长的光透过，这时溶液呈现出透过光的颜色。 透过光的颜色是溶液吸收光的互补色。,能复合成白光的两种颜色的光叫互补色光。 物质所显示的颜色是吸收光的互补色。,5,kmno4的颜色及其吸收光谱,6,叶绿素的结构和吸收光谱,光吸收定律：,（一）. lambert beer 定律,布格(bouguer)和朗伯(lambert)先后于1729年和1760年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系：,1852年比耳(beer)又提出了光的吸收程度和吸收物浓度之间也具有类似的关系:,a b,a c,二者的结合称为朗伯-比耳定律，其数学表达式为：,式中：a：吸光度；t:透射率； b：液层厚度(光程长度)，通常以cm为单位； c：溶液的摩尔浓度，单位moll-1； ：摩尔吸光系数，单位lmol-1cm-1；,a lgt lg（ it / i0)= b c,.光吸收定律的表达式及其含义,8,.吸光度与透射率,algt lg(it/i0)= b c,t 10 a=10 b c,c,多组分混合体系中，如果各组分分子之间不存在离解、聚合、化学反应等化学平衡时，其吸光度具有加合性，即：,.吸光度的加合性,9,5. 偏离朗伯比耳定律的原因,由于入射光不是单色光而引起的偏离 由于介质的不均匀性引起的偏离 溶液中的化学变化引起的偏离,10,二、紫外-可见吸收光谱法的特点,1. 灵敏度高 通常，待测物质的含量1105时，能够用分光光度 法准确测定。所以它主要用于测定微量组分。 2. 应用广泛 几乎所有的无机离子和许多有机化合物可以用分光光度法进行测定。如土壤中的氮、磷以及植物灰、动物体液中各种微量元素的测定。,11,3. 操作简便、迅速、仪器设备不太复杂 若采用灵敏度高、选择性好的有机显色剂，并加入适当的掩蔽剂，一般不经过分离即可直接进行分光光度法测定、其方法的相对误差通常为510，其准确度虽不及重量分析法和容量法，但对于微量组分的测定，结果还是满意的。,12,一、紫外吸收光谱的产生,1.概述 紫外吸收光谱：分子价电子能级跃迁。 波长范围：100-800 nm. (1) 远紫外光区: 100-200nm (2) 近紫外光区: 200-400nm (3)可见光区: 400-800nm,5-2 紫外吸收光谱法的基本原理,m + h m *,基态 激发态 e1 （e） e2,e = e2 - e1 = h 量子化 ；选择性吸收 用不同波长的单色光照射，测吸光度; 吸收曲线与最大吸收波长max,13,紫外吸收曲线,紫外吸收光谱以波长（nm）为横坐标，以吸光度a或吸收系数为纵坐标。 光谱曲线中最大吸收峰所对应的波长相当于跃迁时所吸收光线的波长称为max和max相应的摩尔吸收系数为max。max104为强吸收，max103为弱吸收。曲线中的谷称为吸收谷或最小吸收(min),有时在曲线中还可看到肩峰（sh）。,14,吸收曲线的讨论：,物质不同，其分子结构不同，则吸收曲线不同，max不同，所以可根据吸收光谱曲线对物质进行定性鉴定和结构分析。 用最大吸收峰或次峰所对应的波长max为入射光，测定待测物质的吸光度，根据光吸收定律可对物质进行定量分析。,15,为何要选择max处的吸光度？,不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度 a 有差异，在max处吸光度a 的差异最大。此特性可作作为物质定量分析的依据。 在max处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。,16,5-3、紫外-可见吸收光谱与分子结构的关系,一、电子跃迁的类型 有机化合物的紫外可见吸收光谱是三种电子跃迁的结果：电子、电子、n电子。,17,分子轨道理论：成键轨道反键轨道。,当外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态(反键轨道)跃迁。主要有四种跃迁，所需能量大小顺序为： n n,18,电子跃迁类型不同，实际跃迁需要的能量不同， * 150nm n* 200nm * 200nm n* 300nm 吸收能量的次序为： *n*n*,19,1. 跃迁,电子能级低，发生跃迁所需能量最大；电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁； 饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区； 吸收波长200 nm；,例：甲烷的max为125nm , 乙烷max为135nm。 只能被真空紫外分光光度计检测到； 超出了紫外分光光度计的工作范围， 只能作为溶剂使用；,20,2. n跃迁,所需能量较大。吸收波长为150250nm，大部分在远紫外区，近紫外区仍不易观察到。 含非键电子的饱和烃衍生物(含n、o、s和卤素等杂原子)均呈现n* 跃迁。,21,3. 跃迁,所需能量较小，吸收波长处于远紫外区的近紫外端或近紫外区，max一般在104lmol1cm1以上，属于强吸收。,(1) 不饱和烃*跃迁 乙烯*跃迁的max为162nm，max为: 1104 lmol-1cm1。,22,c=c 发色基团， 但 *200nm。,23,二、发色团、助色团和吸收带,发色团（生色团） 最常用的紫外可见光谱是由和n跃迁产生的。这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。这类含有键的不饱和基团称为发色团(生色团)。简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基nn、乙炔基、腈基c三n等。,24,助色团,有些原子或基团，本身不能吸收波长大于200nm的光波，但它与一定的发色团相连时，则可使发色团所产生的吸收峰向长波长方向移动。并使吸收强度增加，这样的原子或基团叫做助色团。 如有一些含有n电子的基团(如oh、or、nh2、nhr、x等)，本身没有生色功能(不能吸收200nm的光)，但与生色团相连时，能增强生色团的生色能力(吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加)。,25,苯环上助色团对吸收带的影响,26, 吸收带,指吸收峰在紫外可见吸收光谱中的波带位置。 i. r带 它是由n* 跃迁产生的吸收带，该带的特点是吸收强度很弱，max100，吸收波长一般在270nm以上。 ii. k带 它是由共轭体系的* 跃迁产生的。它的特点是：跃迁所需要的能量较r吸收带大，摩尔吸收系数max104。k吸收带是共轭分子的特征吸收带，因此用于判断化合物的共轭结构。紫外-可见吸收光谱中应用最多的吸收带。,27,iii. b带 它是芳香族化合物的特征吸收带。是苯环振动及* 重叠引起的。在230270nm之间出现精细结构吸收，又称苯的多重吸收, max=254nm。 iv. e-带 也是芳香族化合物的特征吸收之一。e带可分为e1及e2两个吸收带，二者可以分别看成是苯环中的乙烯键和共轭乙烯键所引起的，也属* 跃迁。,28,苯的紫外吸收光谱（异辛烷）,b-带：254nm e1-带：185nm e2-带：204nm,29,30,31, 红移与蓝移,有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长max和吸收强度发生变化: max向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移 (或紫移)。吸收强度即摩尔吸光系数增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应。,32,(1)n*跃迁所产生的吸收峰随溶剂极性的增加而向短波长方向移动。, 溶剂效应,溶剂极性的不同也会引起某些化合物的吸收峰发生红移或蓝移，称为溶剂效应。,33,（2）*跃迁所产生的吸收峰随着溶剂极性的增加而向长波长方向移动。,34,（3）溶剂还会影响吸收光谱的强度和溶质分子光谱的精细结构。一般溶剂的极性增大会使溶质的精细结构清晰度减弱，甚至完全消失而呈现一个宽峰。,极性溶剂使精细结构消失；,非极性 极性 *跃迁：红移； ； n *跃迁：蓝移； ；,35,5-4 紫外-可见分光光度计,普析通用 tu-1901型uv-vis紫外可见分光光度计,36,一、仪器的基本构造,光源,单色器,样品室,检测器,显示,五部分组成,37,光源 在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱，具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。,可见光区：钨灯、碘钨灯作为光源，其辐射波长范围在3202500 nm。 紫外区：氢、氘灯。发射185400 nm的连续光谱。,38,39,2.单色器,将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任波长单色光的光学系统。 单色器一般由色散元件、狭缝和透镜系统组成，色散元件的作用是将光源的连续光谱色散为单色光；狭缝的作用是调节光的强度和让所需单色光通过。 常用的色散元件有棱镜和光栅两类。,40,棱镜：是利用不同波长的光有不同的折射率而使复合光分开的光学元件。有考纽棱镜,立特鲁棱镜。石英棱镜可用于紫外光区（可见光区，近红外区），玻璃棱镜只用于可见光区。 光栅：它是利用光的衍射和干涉作用使复合光色散。其特点是：色散波长范围宽，可用于紫外，可见及近红外等光谱区；具有良好而均匀一致的分辨能力，色散近于线性，现代仪器多用光栅做色散元件。,41,入射狭缝：光源的光由此进入单色器； 准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束； 色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅； 聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝； 出射狭缝。,42,3.样品室,样品室放置各种类型的吸收池（比色皿）和相应的池架附件。吸收池主要有石英池和玻璃池两种。在紫外区须采用石英池，可见区一般用玻璃池。,43,4.检测器 利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号，常用的有光电池、光电管或光电倍增管。 5. 结果显示记录系统 检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理,二、仪器的类型 types of spectrometer,单波长单光束分光光度计 单波长双光束分光光度计 双波长分光光度计 多通道分光光度计,45,1.单波长单光束分光光度计： 简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度，一般不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性。,46,2.单波长双光束分光光度计： 自动记录，快速全波段扫描。可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，特别适合结构分析。仪器复杂，价格较高。,47,48,3.双波长分光光度计： 将不同波长的两束单色光(1、2) 快束交替通过同一吸收池而后到达检测器。产生交流信号。无需参比池。= 12nm。两波长同时扫描即可获得导数光谱。,49,4.多通道分光光度计： 在单光束分光光度计基础上，采用多道光子检测器为换能器（如光电二极管阵列检测器作为检测器） 具有快速扫描的特点，整个光谱扫描时间不到1s，可直接对经液相色谱柱和毛细管柱分离的试样进行定性和定量的测定。,5. 新型超微量紫外分光光度计：,一、定性、定量分析 qualitative and quanti-tative analysis 二、有机物结构确定 structure determination of organic compounds 三、实例 applied example,5-5 紫外-可见吸收光谱法的应用 applications of uv,51,一、定性、定量分析 qualitative and quantitative analysis,定性分析(有机物化合物结构解析) uv-vis基反映结构中生色团和助色团的特征，不完全反映分子特性，故不能完全确定物质的结构；,52,(1). 比较法,相同仪器、溶剂条件对未知纯试样的紫外吸收光谱图与标准纯试样的紫外吸收光谱，或与标准紫外吸收光谱图比较定性。 max, max都相同，可能是一个化合物； 标准谱图库：46000种化合物紫外光谱的标准谱图 the sadtler standard spectra ,ultraviolet,53,(2). 最大吸收波长计算法, woodward-fieser 计算规则 计算共轭二烯、多烯烃和-、-不饱和羟基化合物 *跃迁最大吸收波长的经验规则。 scott 经验规则 计算苯的衍生芳族化合物的max。,54,2. 定量分析,(1). 朗伯-比耳定律 吸光度： a= b c : 摩尔吸光系数，l mol-1 cm -1，仅与入射光的波长、被测组分的本性和温度有关，定性分析重要指标； b: 液层厚度，cm; c: 被测组分浓度。 灵敏度高： max：104105 l mol-1 cm -1；（比红外大） 测量误差与吸光度读数有关： a=0.434，读数相对误差最小；,55,(2). 比较法,在相同条件下配制样品溶液和标准溶液， 在最佳波长最佳处测得二者的吸光度a样和a标，进行比较，按下公式计算样品溶液中被测组分的浓度： c:溶液浓度；a：吸光度 要求标准与样品溶液的浓度接近，以降低本底误差。,56,(3). 标准曲线法,配制一系列不同浓度的标准溶液，在最佳处分别测定标准溶液的吸光度a，然后以浓度为横坐标，以相应的吸光度为纵坐标绘制出标准曲线，在完全相同的条件下测定试液的吸光度，并从标准曲线上求得试液的浓度。 该法适用于大批量样品的测定。,57,吸收光谱不重叠： 同单组分测定，直接在各自的max处测定 吸收光谱单向重叠： 吸收